进阶了解C++(4)——多态

news2024/10/6 6:44:12

       在上篇文章中，简单的介绍了多态中的概念以及其相关原理。本文将针对多态中其他的概念进一步进行介绍，并且更加深入的介绍关于多态的相关原理。

目录

1. 抽象类：

2. 再谈虚表：

3. 多继承中的虚函数表：

1. 抽象类：

       在上篇文章中提到了，如果使用关键字virtual修饰一个成员函数，则这个成员函数被称为虚函数。此处，针对虚函数进行扩展，如果在虚函数的声明后面加上=0，则这个函数被称为纯虚函数。包含纯虚函数的类又叫抽象类，其特点是不能初始化出对象。即使是子类继承这个类，同样也不能初始化出对象。只有认为对纯虚函数进行重写，才能初始化出一个对象。

    给定一个抽象类及其子类如下：

//抽象类
class Person
{
public:
	virtual void func() = 0
	{
		cout << "Person-func()";
	}
};

class Teacher : public Person
{
public:

};

class Student : public Person
{
public:

};

如果向初始化出这三个类的对象，即：
 

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Teacher t;
}

此时编译器报错如下：

如果对子类中继承父类中的纯虚函数进行重写，即：

class Teacher : public Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Teacher-func()" << endl;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Student-func()" << endl;
	}
};

此时再去分别初始化两个子类的对象，即：

int main()
{

	Student s;
    s.func();
	Teacher t;
    t.func();
}

代码可以正常运行，且运行结果如下：

2. 再谈虚表：

在之前C++基础的文章中提到了，在构造函数中，存在初始化列表，初始化列表初始化成员变量的顺序并不是根据初始化列表的顺序，而是根据成员变量声明的顺序。对于虚函数，其也符合这个特性。具体可以用下面的代码进行证明：

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

通过监视窗口，查看对象b中虚表：

       可以看到，虚函数在虚表中存放的顺序，正是虚函数在类中声明的顺序。对于这一点，也同样可以在内存窗口中进行查看。

       

 从图中不难发现，对象b中的第一个地址，恰好对应了虚表指针的地址。此时再查看虚表中的内容，即：

不难看出，再内存窗口中，第二，第三条地址分别对应了虚表中两个虚函数的地址。

而对于子类，其生成的对象d中的内容如下：

对于子类对象的内容，可以分为两个部分，一是从父类中继承的内容，二是子类中自己的成员变量以及函数。在监视窗口中，可以看到子类继承了父类的虚表，并且对其中进行重写的虚函数的地址进行了覆盖。但是需要注意，在子类中，并不存在自己的虚表 。对于子类虚表中的函数指针如下：
在上面给出的图片中可以看出，蓝线连接的两个地址分别是父类、子类中的虚函数Func1()，但是因为这个函数在子类中发生了重写，因此，父类，子类中这两个虚函数的地址并不相同。

而对于紫线连接的两个虚函数，由于虚函数并未在子类中发生虚函数的重写，因此，父类，子类中俩个虚函数的地址相同。

如果对于子类，再添加一个虚函数，例如：

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func()
	{
		;
	}
private:
	int _d = 2;
};

 此时，在监视窗口中进行查看，子类对象的虚表中并没有出现新的虚函数的函数指针，但是在内存窗口中，却出现了一条新的地址，对于这个新的地址，一般认为就是子类中新加入的虚函数。至于具体的验证，将在文章后面给出。 

 

(注：为了方便演示，下面的代码在x86，即32位环境下运行）

在之前C++基础关于内存管理的文章中(C++(9)——内存管理-CSDN博客 )提到了系统根据不同的需求，将内存划分为不同的部分，具体如下：

1.栈：用于存储非全局、非静态的局部变量，函数参数，返回值等等

2.堆：用于程序运行时的内存的动态开辟

3.数据段(静态区)：用于存储全局变量和静态变量

4.代码段(常量区)：可执行代码\只读常量

在给出了上述概念后，文章将探讨一个 问题，即：虚表指针是存储在什么地方的。

为了方便测试，首先给出上面四个类型变量的地址，即：

int i = 1;//栈
	int* p = new int;//堆
	static int j = 0;//数据段(静态区)
	const char* p2 = "xxxxxxx";//代码段(常量区)

	printf("栈=%p\n", &i);

	printf("堆=%p\n", p);
	printf("静态区=%p\n", &j);
	printf("常量区=%p\n",p2);

打印结果如下：

对于如何获取虚表指针，本文提供一种方法：由于虚表指针存储在一个类的前四个字节，因此，只需要初始化出一个该类的对象，首先获取这个对象的指针，在将这个指针强转成int*类型，即可获取虚表指针，具体代码如下：

Base* B = &b;
	Derive* D = &d;

	printf("B=%p\n", *(int*)B);
	printf("D=%p\n", *(int*)D);

打印结果如下：

从上述区段以及两个虚表指针的指针对比来看，虚表指针应该存储在常量区，也就是代码段。

上面给出了如何获取虚表指针的存储地址，下面给出虚表中，如何获取虚表中存储各个虚函数的指针，具体方法如下：

typedef void(*VF_PTR)();
void PrintVF(VF_PTR* vf)
{
	for (size_t i = 0; vf[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d] :%p", i, vf[i]);
	}
}
PrintVF((VF_PTR*) * (int*)&d);

打印结果如下：

如果在获取了上述指针后，直接调用这些函数指针，便可知道上述 获取的地址是否是类中的虚函数，即：
 

typedef void(*VF_PTR)();
void PrintVF(VF_PTR* vf)
{
	for (size_t i = 0; vf[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d] :%p", i, vf[i]);
		VF_PTR f = vf[i];
		f();
	}
}

打印结果如下：

通过这个例子可以看出，虽然在上面添加新的虚函数Func3()时，在子类的虚表中并没有看到这个函数的地址，但是在次数，照样可以通过函数指针调用这个函数，这也间接证明了Func3()其实添加到了子类中，只是在监视窗口不可见。

3. 多继承中的虚函数表：

给定代码如下：

class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};
class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};

int main()
{
	Derive d;
	Base1* p1 = &d;
	Base2* p2 = &d;
	return 0;
}

在上面给出的代码中，存在三个类，其中Base1,Base2被集成到了Derive中，由于Base1最先被继承到子类中，因此，可以认为，父类成员在子类的空间中的位置是最靠前的。对于&d，表示取对象d的首地址，由于父类成员在空间中位置是最靠前的，因此，理论上p1==&d。而对于p2，由于其在Base1后继承，因此p2相对于p1是靠后的，因此，在子类中，存在着两张虚表，这两个虚表分别有着自己独立的地址。在监视窗口中，同样可以证明这一点：

而对于Derive中的虚函数func3()，为了验证func3()是存储在哪个虚表中的，可以用下面的代码进行检验：

PrintVF((VF_PTR*)*(int*)p1);

对于Base1中虚表中存储的函数指针打印结果如下：

下面打印Base2中虚表中的函数指针：

由此证明，子类中的虚函数func3()是存储在子类继承并且进行覆盖的Base1中的虚表。

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